LED背光源大幅提升LCD TV色彩
利用光發射二極體作為背光源的LCD電視機似乎已準備好在2005年量產。如果可以達到實際的應用，將可以大幅提升色彩的表現度。
一位任職於光發射二極體（LED）製造商的工程師表示：「一家電視公司的工程師抱怨此競爭已超越了他們。」2004年11月，日本Sony推出了40吋和46吋的QUALIA 005，這是第一批使用紅（R）、綠（G）及藍（B）LED作為背燈的液晶顯示（LCD）電視。整個業界的工程師都報以歡呼和喝采。如同一家LCD面板製造商所言：「Sony正在飛越... 我還是無法相信他們可以這麼快就商業化！」背光燈從背後使LCD面板發亮，一般包含了一個光源以及如支架(spreader)等光學組件。雖然大尺寸的LCD電視已採用冷陰極燈（CCFL）作為此用途，但Sony轉而使用三色（RGB）的LED。 似乎已可以確定有好幾家LCD電視的製造商會跟隨Sony，在2005年量產並推出配有LED背燈的機型。例如，韓國的報紙就報導了韓國Samsung Electronics Co, Ltd將在2005年的上半年開始量產。 許多電視製造商正急切地累積此一領域的專業知識，以便可以儘快地研發LED背燈。主要的原因是LED背燈預期會大幅提升LCD電視的附加價值內容。
色彩表現
利用RGB作為背光源有好幾項優點。大部分的電視製造商尤其被加強的色彩自由度所吸引（圖1）。它可以達到超過100%國家電視標準委員會（NTSC）規範的色彩再生範圍，並且可以自由地調整白色的表現。RGB背燈不僅提供了比傳統CCFL背燈明顯較寬廣的色彩再生範圍，即使是在以陰極射線管（CRT）中的螢光體、電漿顯示面板（PDP）或表面導電電子發射器顯示（Surface-conduction Electron-emitter Display, SED）等技術所不易達到的再生色彩方面，它們也可非常輕易地達成。好幾家LCD面板的製造商都認同在色彩方面，LCD面板是市面上所有裝置中性能最佳的，而關鍵的技術就是LED背燈。Sony是第一個以此觀點為基礎推出商品的。此公司在薄型電視市場上被認為是較晚起步的，因此業界的許多觀察家相信它會極力地將LED背燈商業化，以提高該品牌在電視接收器市場的知名度。好幾位LCD面板的工程師皆表示：「不難想像Sony是把LED背燈技術視為下一個Trinitron。」 當然，Sony不是唯一把色彩定位成競爭重點的製造商。LCD電視截至目前為止的競爭一直在強調較高的亮度和解析度、較大的螢幕尺寸以及較低的價格；而所有的製造商都樂於在這些既有的指數中加入新的特徵以加強競爭力。一家LCD製造商的消息指出，Samsung Electronics最近一直在聘顧色彩專家，這是它決心在色彩議題上全面出擊的證據。鎂光燈已開始照亮色彩所凝聚的激烈競爭。
刺激競爭
在設備製造商的這些動作鼓舞之下，參與LED背燈的周邊組件製造商也漸漸感興趣了。好幾位任職於背燈或LED廠的工程師皆認同Sony的大膽舉動，勢必可刺激研發競爭。他們表示，初步設定為2007年或以後的標的日期，毫無疑問地將往前推。組件製造商正積極地作準備以因應可以預期的需求。從事LED背燈的大部分製造商都採用美國Lumileds Lighting, LLC 的LED背燈。目前而言，它們具有最高的輸出並且三種顏色（RGB）都有。彼此競爭的LED製造商當然也在採取行動。例如，日本Toyoda Gosei Co, Ltd 計畫在2005年推出了一個適用於LED背燈的3色高輸出LED。根據該公司光電和智慧財產主任Ota Koichi表示：「LCD電視背燈是個非常令人興奮的市場，所以我們想使它成為我們主要的事業領域。」最近將進入藍光LED市場，並在2004年11月開始運銷樣品的日本Showa Denko KK也非常地熱中，如電子部氮化鎵計畫的計畫主持人Kazuhiro Mitani所解釋的：「我們計畫在2005年在我們的產品線中加入綠光LED，這樣我們就三種顏色都有了。」
可能的內容變化
採用LED背燈，可能會使廠商推出超過100%NTSC色彩再生範圍規範的電視接收器。如果真的發生就會輕易地導致內容本身產生變化，因為電視接收器本身的色彩表現會比內容的更為豐富。如電視廣播或是存作MPEG影像的套裝媒體等視訊內容的色彩資訊，都是為了配合CRT電視之色彩表現範圍而創造的。換言之，它含有的RGB標準色彩資訊只有相等於NTSC規範的70%左右。因此，Sony QUALIA 005利用一專屬的演算法轉換來自廣播或其他來源之視訊信號，將所顯示的色彩範圍延伸至RGB標準以外。如果市場上出現許多具有此能力的電視機時，就會有愈多人要求具有較寬色彩範圍的內容。 事實上，趨勢已然成形，從日本電子和資訊技術工業協會（JEITA）目前正在討論稱為xvYCC的新視訊色彩空間標準上即可證明。它的目的是在定義比sRGB標準還要寬的色彩空間。在利用Munsell Color Cascade（廣泛色彩樣本系列）比較時顯示sRGB標準只達到55%，而xvYCC則有100%。JEITA在2004年10月向國際電子技術委員會（International Electrotechnical Commission, IEC）提議將xvYCC標準國際標準化，而它最早可以在2006年開始被採用。如果此標準被正式接納的話，將意味著內容會出現新的色彩資訊。
色彩混合
在擴大色彩再生範圍方面，雖然採用3色的RGB LED是目前最有效的方法，但它們卻不容易有效利用。對於希望使用LED的工程師而言，第一個令他們的驚訝的是亮度和色彩的不均勻。據一位背燈製造商表示，它的亮度偏差是CCFL的5倍左右，而色彩偏差則是5到7倍。一位任職於背燈廠商的工程師表示：「在看到實際排列LED的原型並且第一次點亮它們時，我非常地驚訝。我以為此技術永遠都不會成功的。」Sony雖然尚未透露技術細節，但似乎已透過嚴格的LED選擇程序解決了QUALIA 005的問題。Sony的LED供應商Lumileds表示他們運出的貨品現在都必須符合比他們原來想像還要嚴格的標準。然而，很遺憾地，即使透過嚴格的篩選程序以及類似的措施還是無法完全解決使用LED的困難度。它們所面臨的一連串問題和CCFL背燈所面臨的完全不同。不僅是急切地想在產品中使用LED背燈的設備和面板製造商目前已投入許多人力，希望找出這些問題的解決方法，即使是背燈和LED製造商本身也是如此熱中。 設備和面板製造商在使用LED背燈方面面臨了三個主要的問題；即（1）降低顯示中色彩的不均勻，（2）減少色彩漂移以及（3）降低電源消耗量（圖3）。在這3項當中，許多工程師已指出降低色彩不均勻（1）是最困難的。通常造成色彩不均勻的原因是採用了3個（RGB）LED。它和使用白光開始的CCFL設計不同，3個RGB顏色必須混合以產生一致的白光，然後再點亮LCD面板。解決色彩不均勻的一項有效方法是增加LED光源和被點亮的LCD面板之間的距離（路徑長度）。這讓光較易混合。好幾家製造商都利用雙光導來增加路徑的長度，將光反射以達成此一目的。例如，日本的NEC-Mitsubishi Electric Visual Systems Corp（NM Visual）在它的桌上型印刷（desktop publishing, DTP）以及其他商業應用之LCD監視器（其中包括一個21.3吋的機型）中採用了此一方法。單單是此架構無法完全地消除色彩的不均勻。設計LCD監視器用背燈之日本NEC LCD Technologies, Ltd透露它還需要其他的改變，其中包括更改LED的定位模式和間距等。
直接LED的設計
儘管光導是加強色彩一致性的一項有效方法，但它們卻降低了光的使用效率，因為在經由光導傳導時會有流失的情形產生。當標的是消費者時，不同於NM Visual所製造的商用LCD監視器，它的亮度至少必須是400至500cd/m2，因此業界有許多人都覺得電視接收器需要LCD面板下面的LED直接發出的亮度，而不是經由光導。日本Mitsubishi Electric Corp 的先進技術研發中心/影像引擎技術部門/影像色彩小組經理Hiroaki Sugiura博士表示：「電視機的背燈幾乎可以確定是直接LED的設計，因為它們可以較輕易地增加亮度。」Sony的QUALIA 005就是一個直接LED的設計（圖4）。然而，即使採用直接LED的背燈，色彩的一致性還是非常重要的。一般而言，LED是緊密地組合在一起以促進色彩混合，但是它們愈緊密就會集中愈多的熱源，因而需要複雜的散熱架構。然而，如果LED的間距加大一點，要處理所產生的熱就簡單得多；但另一方面，色彩的不均勻卻成為更大的問題。QUALIA 005藉由將水平方向的LED緊緊地包裝而垂直方向的鬆散地包裝，嘗試在色彩和熱之間取得平衡。
削薄直接LED
直接LED背燈的厚度一般大約多了50mm，因為它需在LED輸出和LCD面板之間有足夠的距離以便進行色彩混合。日本的Tama Fine Opto Co, Ltd為一家強調薄型設計的廠商，它研發了一個只有30mm厚的直接LED背燈。它在2004年10月的FPD International上首次曝光。它在一個晶格中裝置了多個日本Omron Corp所研發的光源單元。光源單元（只有6mm厚）中RGB LED所發出的光反射在單元本身內部，並且在從單元中輸出時它已混合至一定的程度了，使它多少可以縮短到LCD面板的路徑距離。Tama Fine Opto相信光源單元和反射鏡的尺寸可以最佳化成一個甚至更薄的設計。該公司研發部門的總經理Mitsuhiro Suzuki表示：「此原型有30mm厚，但我們希望在2005年秋天當量產開始時將它減至25mm。」該公司也打算消除單元之間的接縫處，透過光源單元的色彩和亮度的差異而使人們看得出。
電源：CCFL層級，2007年
LED背燈的另一個關鍵問題－減少色彩的漂移（2）－可能需使用色彩感應器和溫度感應器。當3個LED因為溫度或是暫時的變化而顯示不同的發射特徵時，就會產生色彩漂移的情形。LED製造商指出，解決LED發射特徵漂移的問題並非易事，並且建議有必要使用一個感應器來偵測LED的波動並自動調整圖素的明暗度。如QUALIA 005等LCD監視器以及NM Visual推出的設計都是採用此方法。第（3）點降低電源消耗量只能透過改善LED本身的性能來解決，而不是透過設備製造商進行任何的新發明。這是一個會跟著我們的過渡問題，直到LED的發射效率達到一個足夠高的層級為止。CCFL的發射效率大約是60lm/W，但是LED卻只達到大約30lm/W。簡單計算顯示LED將需要加倍的電源才能達到和CCFL背燈一樣的亮度。LED背燈的電源消耗量可能需要再2到3年的時間才能降到CCFL背燈的水準。Lumileds宣稱內部量子效應和光抽出效率的改善已解決了要在2006年或2007年以前將發射效率提昇至CCFL水準的主要技術障礙 。Lumileds Lighting Japan的總經理兼日本地區的企業副總裁Norihide Yamada表示：「視市場有多大而定，但我們希望在2007年左右將LED背燈的成本降成CCFL背燈的1.2倍左右。」事實上，如果LED的發射效率和輸出增加的話，它將可以較少的LED達到與目前水準同等的總背燈亮度，進而進一步降低成本。製造商有必要在這些新的LED問市時累積如何適當地運用這些LED所需的專業知識。
作者 Hiroshi Kariatsumari Hiroki Yomogita
一位任職於光發射二極體（LED）製造商的工程師表示：「一家電視公司的工程師抱怨此競爭已超越了他們。」2004年11月，日本Sony推出了40吋和46吋的QUALIA 005，這是第一批使用紅（R）、綠（G）及藍（B）LED作為背燈的液晶顯示（LCD）電視。整個業界的工程師都報以歡呼和喝采。如同一家LCD面板製造商所言：「Sony正在飛越... 我還是無法相信他們可以這麼快就商業化！」背光燈從背後使LCD面板發亮，一般包含了一個光源以及如支架(spreader)等光學組件。雖然大尺寸的LCD電視已採用冷陰極燈（CCFL）作為此用途，但Sony轉而使用三色（RGB）的LED。 似乎已可以確定有好幾家LCD電視的製造商會跟隨Sony，在2005年量產並推出配有LED背燈的機型。例如，韓國的報紙就報導了韓國Samsung Electronics Co, Ltd將在2005年的上半年開始量產。 許多電視製造商正急切地累積此一領域的專業知識，以便可以儘快地研發LED背燈。主要的原因是LED背燈預期會大幅提升LCD電視的附加價值內容。
色彩表現
利用RGB作為背光源有好幾項優點。大部分的電視製造商尤其被加強的色彩自由度所吸引（圖1）。它可以達到超過100%國家電視標準委員會（NTSC）規範的色彩再生範圍，並且可以自由地調整白色的表現。RGB背燈不僅提供了比傳統CCFL背燈明顯較寬廣的色彩再生範圍，即使是在以陰極射線管（CRT）中的螢光體、電漿顯示面板（PDP）或表面導電電子發射器顯示（Surface-conduction Electron-emitter Display, SED）等技術所不易達到的再生色彩方面，它們也可非常輕易地達成。好幾家LCD面板的製造商都認同在色彩方面，LCD面板是市面上所有裝置中性能最佳的，而關鍵的技術就是LED背燈。Sony是第一個以此觀點為基礎推出商品的。此公司在薄型電視市場上被認為是較晚起步的，因此業界的許多觀察家相信它會極力地將LED背燈商業化，以提高該品牌在電視接收器市場的知名度。好幾位LCD面板的工程師皆表示：「不難想像Sony是把LED背燈技術視為下一個Trinitron。」 當然，Sony不是唯一把色彩定位成競爭重點的製造商。LCD電視截至目前為止的競爭一直在強調較高的亮度和解析度、較大的螢幕尺寸以及較低的價格；而所有的製造商都樂於在這些既有的指數中加入新的特徵以加強競爭力。一家LCD製造商的消息指出，Samsung Electronics最近一直在聘顧色彩專家，這是它決心在色彩議題上全面出擊的證據。鎂光燈已開始照亮色彩所凝聚的激烈競爭。
刺激競爭
在設備製造商的這些動作鼓舞之下，參與LED背燈的周邊組件製造商也漸漸感興趣了。好幾位任職於背燈或LED廠的工程師皆認同Sony的大膽舉動，勢必可刺激研發競爭。他們表示，初步設定為2007年或以後的標的日期，毫無疑問地將往前推。組件製造商正積極地作準備以因應可以預期的需求。從事LED背燈的大部分製造商都採用美國Lumileds Lighting, LLC 的LED背燈。目前而言，它們具有最高的輸出並且三種顏色（RGB）都有。彼此競爭的LED製造商當然也在採取行動。例如，日本Toyoda Gosei Co, Ltd 計畫在2005年推出了一個適用於LED背燈的3色高輸出LED。根據該公司光電和智慧財產主任Ota Koichi表示：「LCD電視背燈是個非常令人興奮的市場，所以我們想使它成為我們主要的事業領域。」最近將進入藍光LED市場，並在2004年11月開始運銷樣品的日本Showa Denko KK也非常地熱中，如電子部氮化鎵計畫的計畫主持人Kazuhiro Mitani所解釋的：「我們計畫在2005年在我們的產品線中加入綠光LED，這樣我們就三種顏色都有了。」
可能的內容變化
採用LED背燈，可能會使廠商推出超過100%NTSC色彩再生範圍規範的電視接收器。如果真的發生就會輕易地導致內容本身產生變化，因為電視接收器本身的色彩表現會比內容的更為豐富。如電視廣播或是存作MPEG影像的套裝媒體等視訊內容的色彩資訊，都是為了配合CRT電視之色彩表現範圍而創造的。換言之，它含有的RGB標準色彩資訊只有相等於NTSC規範的70%左右。因此，Sony QUALIA 005利用一專屬的演算法轉換來自廣播或其他來源之視訊信號，將所顯示的色彩範圍延伸至RGB標準以外。如果市場上出現許多具有此能力的電視機時，就會有愈多人要求具有較寬色彩範圍的內容。 事實上，趨勢已然成形，從日本電子和資訊技術工業協會（JEITA）目前正在討論稱為xvYCC的新視訊色彩空間標準上即可證明。它的目的是在定義比sRGB標準還要寬的色彩空間。在利用Munsell Color Cascade（廣泛色彩樣本系列）比較時顯示sRGB標準只達到55%，而xvYCC則有100%。JEITA在2004年10月向國際電子技術委員會（International Electrotechnical Commission, IEC）提議將xvYCC標準國際標準化，而它最早可以在2006年開始被採用。如果此標準被正式接納的話，將意味著內容會出現新的色彩資訊。
色彩混合
在擴大色彩再生範圍方面，雖然採用3色的RGB LED是目前最有效的方法，但它們卻不容易有效利用。對於希望使用LED的工程師而言，第一個令他們的驚訝的是亮度和色彩的不均勻。據一位背燈製造商表示，它的亮度偏差是CCFL的5倍左右，而色彩偏差則是5到7倍。一位任職於背燈廠商的工程師表示：「在看到實際排列LED的原型並且第一次點亮它們時，我非常地驚訝。我以為此技術永遠都不會成功的。」Sony雖然尚未透露技術細節，但似乎已透過嚴格的LED選擇程序解決了QUALIA 005的問題。Sony的LED供應商Lumileds表示他們運出的貨品現在都必須符合比他們原來想像還要嚴格的標準。然而，很遺憾地，即使透過嚴格的篩選程序以及類似的措施還是無法完全解決使用LED的困難度。它們所面臨的一連串問題和CCFL背燈所面臨的完全不同。不僅是急切地想在產品中使用LED背燈的設備和面板製造商目前已投入許多人力，希望找出這些問題的解決方法，即使是背燈和LED製造商本身也是如此熱中。 設備和面板製造商在使用LED背燈方面面臨了三個主要的問題；即（1）降低顯示中色彩的不均勻，（2）減少色彩漂移以及（3）降低電源消耗量（圖3）。在這3項當中，許多工程師已指出降低色彩不均勻（1）是最困難的。通常造成色彩不均勻的原因是採用了3個（RGB）LED。它和使用白光開始的CCFL設計不同，3個RGB顏色必須混合以產生一致的白光，然後再點亮LCD面板。解決色彩不均勻的一項有效方法是增加LED光源和被點亮的LCD面板之間的距離（路徑長度）。這讓光較易混合。好幾家製造商都利用雙光導來增加路徑的長度，將光反射以達成此一目的。例如，日本的NEC-Mitsubishi Electric Visual Systems Corp（NM Visual）在它的桌上型印刷（desktop publishing, DTP）以及其他商業應用之LCD監視器（其中包括一個21.3吋的機型）中採用了此一方法。單單是此架構無法完全地消除色彩的不均勻。設計LCD監視器用背燈之日本NEC LCD Technologies, Ltd透露它還需要其他的改變，其中包括更改LED的定位模式和間距等。
直接LED的設計
儘管光導是加強色彩一致性的一項有效方法，但它們卻降低了光的使用效率，因為在經由光導傳導時會有流失的情形產生。當標的是消費者時，不同於NM Visual所製造的商用LCD監視器，它的亮度至少必須是400至500cd/m2，因此業界有許多人都覺得電視接收器需要LCD面板下面的LED直接發出的亮度，而不是經由光導。日本Mitsubishi Electric Corp 的先進技術研發中心/影像引擎技術部門/影像色彩小組經理Hiroaki Sugiura博士表示：「電視機的背燈幾乎可以確定是直接LED的設計，因為它們可以較輕易地增加亮度。」Sony的QUALIA 005就是一個直接LED的設計（圖4）。然而，即使採用直接LED的背燈，色彩的一致性還是非常重要的。一般而言，LED是緊密地組合在一起以促進色彩混合，但是它們愈緊密就會集中愈多的熱源，因而需要複雜的散熱架構。然而，如果LED的間距加大一點，要處理所產生的熱就簡單得多；但另一方面，色彩的不均勻卻成為更大的問題。QUALIA 005藉由將水平方向的LED緊緊地包裝而垂直方向的鬆散地包裝，嘗試在色彩和熱之間取得平衡。
削薄直接LED
直接LED背燈的厚度一般大約多了50mm，因為它需在LED輸出和LCD面板之間有足夠的距離以便進行色彩混合。日本的Tama Fine Opto Co, Ltd為一家強調薄型設計的廠商，它研發了一個只有30mm厚的直接LED背燈。它在2004年10月的FPD International上首次曝光。它在一個晶格中裝置了多個日本Omron Corp所研發的光源單元。光源單元（只有6mm厚）中RGB LED所發出的光反射在單元本身內部，並且在從單元中輸出時它已混合至一定的程度了，使它多少可以縮短到LCD面板的路徑距離。Tama Fine Opto相信光源單元和反射鏡的尺寸可以最佳化成一個甚至更薄的設計。該公司研發部門的總經理Mitsuhiro Suzuki表示：「此原型有30mm厚，但我們希望在2005年秋天當量產開始時將它減至25mm。」該公司也打算消除單元之間的接縫處，透過光源單元的色彩和亮度的差異而使人們看得出。
電源：CCFL層級，2007年
LED背燈的另一個關鍵問題－減少色彩的漂移（2）－可能需使用色彩感應器和溫度感應器。當3個LED因為溫度或是暫時的變化而顯示不同的發射特徵時，就會產生色彩漂移的情形。LED製造商指出，解決LED發射特徵漂移的問題並非易事，並且建議有必要使用一個感應器來偵測LED的波動並自動調整圖素的明暗度。如QUALIA 005等LCD監視器以及NM Visual推出的設計都是採用此方法。第（3）點降低電源消耗量只能透過改善LED本身的性能來解決，而不是透過設備製造商進行任何的新發明。這是一個會跟著我們的過渡問題，直到LED的發射效率達到一個足夠高的層級為止。CCFL的發射效率大約是60lm/W，但是LED卻只達到大約30lm/W。簡單計算顯示LED將需要加倍的電源才能達到和CCFL背燈一樣的亮度。LED背燈的電源消耗量可能需要再2到3年的時間才能降到CCFL背燈的水準。Lumileds宣稱內部量子效應和光抽出效率的改善已解決了要在2006年或2007年以前將發射效率提昇至CCFL水準的主要技術障礙 。Lumileds Lighting Japan的總經理兼日本地區的企業副總裁Norihide Yamada表示：「視市場有多大而定，但我們希望在2007年左右將LED背燈的成本降成CCFL背燈的1.2倍左右。」事實上，如果LED的發射效率和輸出增加的話，它將可以較少的LED達到與目前水準同等的總背燈亮度，進而進一步降低成本。製造商有必要在這些新的LED問市時累積如何適當地運用這些LED所需的專業知識。
作者 Hiroshi Kariatsumari Hiroki Yomogita
posted by C.H. Chen @ 12:16 PM
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